Físicos identificam cristais giratórios em pesquisa sobre matéria viva

Düsseldorf — InkDesign News —

Uma equipe internacional de físicos liderada por pesquisadores das universidades de Aachen, Düsseldorf, Mainz e da Wayne State University, em Detroit, revelou a existência e os comportamentos inusitados dos chamados “cristais de partículas giratórias”. O estudo, publicado recentemente na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), propõe uma nova estrutura teórica para descrever sistemas de interação transversal, destacando propriedades inéditas e possíveis aplicações tecnológicas desse fenômeno.

O Contexto da Pesquisa

Nos últimos anos, o entendimento dos estados sólidos tradicionais se pautou em interações centrais, como as forças gravitacionais e eletromagnéticas, que alinham-se ao eixo central entre duas partículas. No entanto, sistemas baseados em “forças transversais” — aquelas que atuam perpendicularmente à linha que conecta os centros dos corpos — tornam-se objeto de crescente interesse. Essas interações não aparecem apenas em materiais sintéticos, incluindo certos sólidos magnéticos, mas também em sistemas biológicos, como observado em embriões de estrelas-do-mar, que influenciam mutuamente seus movimentos giratórios.

O estudo foi conduzido por um consórcio de institutos, entre eles o Instituto de Física Teórica II da Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf e a Wayne State University.

Resultados e Metodologia

Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico multiescala para prever o comportamento destes cristais giratórios, apoiando-se em simulações matemáticas e dados experimentais recentes. O modelo demonstrou que, sob altas concentrações, esses sistemas formam sólidos compostos de rotores, exibindo propriedades “ímpar” ou não usuais — em destaque, a chamada ‘elasticidade ímpar’, em que o material não se alonga quando tracionado, mas sim torce-se.

“Um sistema com muitos elementos giratórios passa a exibir um comportamento qualitativamente novo e não intuitivo: em altas concentrações, esses objetos formam um corpo sólido de rotores, que possuem propriedades materiais ‘anômalas’.”
(“A system of many rotating constituent elements exhibits a qualitatively new behavior that is non-intuitive: At high concentrations, these objects form a solid body of rotors, which possess ‘odd’ material properties.”)

— Professor Dr. Hartmut Löwen, Instituto de Física Teórica II, Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf

Entre os achados principais, destaca-se que cristais sujeitos a interações transversais tendem a fragmentar-se em unidades giratórias menores quando atingem certo tamanho crítico, efeito oposto ao crescimento usual de cristais clássicos.

“Descobrimos uma propriedade fundamental da natureza que determina a relação entre o tamanho dos fragmentos críticos e sua velocidade de rotação.”
(“We have discovered a fundamental property of nature underlying this process which determines the relation between the size of the critical fragments and their rotation speed.”)

— Professor Dr. Zhi-Feng Huang, Wayne State University

Além disso, os defeitos estruturais presentes nos cristais podem ser controlados externamente, possibilitando impactos sob medida em suas propriedades materiais. A metodologia, baseada em simulações computacionais de larga escala, permitiu prever e observar “autofragmentação” e posterior recomposição espontânea dessas estruturas sólidas rotacionais.

Implicações e Próximos Passos

Os resultados abrem caminho para novas tecnologias, como elementos de comutação com propriedades mecânicas inovadoras, além de aplicações em pesquisas com coloides e processos biológicos. Segundo os autores, o controle dinâmico dos defeitos cristalinos representa um avanço estratégico rumo à manipulação organizada de materiais multifásicos.

“As propriedades elásticas inéditas desses novos cristais podem ser exploradas na invenção de elementos técnicos de comutação, por exemplo.”
(“The novel elastic properties of these new crystals could be exploited to invent new technical switching elements, for example.”)

— Professor Dr. Hartmut Löwen, Instituto de Física Teórica II, Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf

Especialistas preveem que a teoria apresentada pelo grupo de pesquisa poderá ser adaptada amplamente a sistemas com interações transversais, ampliando horizontes tanto para a física de materiais quanto biotecnologia.

O próximo passo, segundo os próprios autores, é a exploração experimental dessas previsões em ambientes laboratoriais mais diversificados, além do desenvolvimento de protótipos funcionais para aplicações industriais e médicas. Caso as propriedades previstas sejam validadas em escala tecnológica, espera-se um impulso significativo em dispositivos baseados na manipulação de microestruturas rotacionais.

Fonte: (ScienceDaily – Ciência)